1、第二章第二章 噪声与非线性失真噪声与非线性失真噪声噪声限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最低最低信号电平信号电平 噪声系数噪声系数与与非线性失真非线性失真是描述射频系统性能优劣是描述射频系统性能优劣的两个重要指标。的两个重要指标。噪声噪声来源于射频系统的各个元器件，一个线性系来源于射频系统的各个元器件，一个线性系统，当它处于小信号工作时，它的许多性能指标都统，当它处于小信号工作时，它的许多性能指标都与噪声有关，如：信噪比、误码率、解调器的最低与噪声有关，如：信噪比、误码率、解调器的最低可解调门限等。可解调门限等。非线性失真非线性失真限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最高最高电平电平
2、本章主要内容本章主要内容: :一一. .噪声噪声1. 1. 起伏噪声的起伏噪声的基本特性基本特性2.2.电子器件内部噪声的电子器件内部噪声的来源及等效电路来源及等效电路3. 3. 衡量系统噪声性能的衡量系统噪声性能的指标指标噪声系数与等效噪噪声系数与等效噪 声温度声温度 大信号工作时，由于二极管和三极管的非线性特性，大信号工作时，由于二极管和三极管的非线性特性，会产生一系列非线性失真，如：增益压缩、交会产生一系列非线性失真，如：增益压缩、交叉调制、互相调制等。叉调制、互相调制等。二二. . 非线性非线性1.非线性器件的描述方法2.2.器件非线性器件非线性对对线性放大器线性放大器的的影响及衡量指
3、标影响及衡量指标3.3.非线性器件在非线性器件在频谱搬移频谱搬移中的中的应用应用2.1 起伏噪声起伏噪声描述起伏噪声的描述起伏噪声的几个重要概念：几个重要概念：起伏噪声的起伏噪声的特点特点（以电阻热噪声为例）：（以电阻热噪声为例）：随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零（1）频谱）频谱 极宽，几乎占据整个无线电频段极宽，几乎占据整个无线电频段（2）功率谱密度）功率谱密度 单位单位：dBm/Hz )( fS21)(ffVVdffSP频带频带 内的内的功率功率：12fff2nV噪声噪声电压均方值电压均方值 ：2nI噪声噪声电流均方值电流均方值 ：212( )f
4、nIfISf df电流功率谱密度电流功率谱密度( )IS f电压功率谱密度电压功率谱密度 ( )VSf212( )fnVfVSf df2nI2nV和和 代表单位电阻上的功率代表单位电阻上的功率（3 3）等效噪声带宽）等效噪声带宽白噪声白噪声: 是常数是常数)( fS)()(1222121ffSdfSfdfSIIffIffIn)( fSi输入输入功率谱密度功率谱密度系统系统传递函数传递函数)( jfH输出输出功率谱密度功率谱密度)( fSo2)()()(fHfSfSio噪声通过噪声通过线性系统线性系统00222)()()(dffHSdffHfSViin白噪声白噪声通过线性系统通过线性系统)()(
5、0202fHdffHBL等效噪声带宽等效噪声带宽定义：定义：系统系统总输出噪声：总输出噪声：22200( )( )()niiLVSfH fdfS Hf B2.2 电路器件的噪声电路器件的噪声1. 功率谱密度功率谱密度RkTSI14kTRRSSIV42电流电流电压电压白噪声白噪声3. 有噪电阻的串并联有噪电阻的串并联2. 等效电路等效电路串联串联 无噪电阻无噪电阻R串噪声电压源串噪声电压源并联并联无噪电阻无噪电阻R并噪声电流源并噪声电流源2nV2nI2.2.1 电阻的热噪声及等效电路电阻的热噪声及等效电路有噪电阻有噪电阻kTRBVn42BRkTIn142（B为系统为系统带宽带宽）4. 额定噪声功
6、率额定噪声功率条件条件: 噪声源与系统匹配噪声源与系统匹配NAB与噪声源电阻与噪声源电阻R大小无关大小无关与噪声源温度有关与噪声源温度有关特点特点kTBRkTRBRVNnA4442bbr1 . 基区电阻基区电阻 热噪声热噪声 白噪声白噪声2,bbn rV2. 散粒噪声散粒噪声功率谱密度功率谱密度02qISI1. 沟道电阻热噪声沟道电阻热噪声 04dIgkTS3. 闪烁噪声闪烁噪声 噪声噪声f1fWLCKSOXV12.2.2 双极型晶体管的噪声双极型晶体管的噪声 3. 噪声等效电路噪声等效电路2,2n ccIqI B2,2n bbIqI B2,4bbn rbbVkTr B2.2.3 场效应管的噪
7、声场效应管的噪声2. 噪声等效电路噪声等效电路2,04n DdIkT g B2.2.4 2.2.4 电抗元件的噪声电抗元件的噪声电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻热噪声热噪声2.2.2.5 两端口网络的等效输入噪声源两端口网络的等效输入噪声源 等效等效2nV串联串联噪声噪声电压源电压源 2nI并联并联噪声噪声电流源电流源 2nV2nI输入端输入端短路短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 输入端输入端开路开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 求法：求法：2nV2n
8、I 和和 的计算步骤的计算步骤: :(1) (1) 将线性网络中的所有元件均用其噪声等效电路代入。将线性网络中的所有元件均用其噪声等效电路代入。（2 2）计算出所有的噪声源在系统输出端的噪声功率总和）计算出所有的噪声源在系统输出端的噪声功率总和 。2,n oV（3 3）求等效输入噪声电压源）求等效输入噪声电压源 。输入端短路，等效输入噪输入端短路，等效输入噪声电流源声电流源 开路开路，则，则2nV2nI2,2222,2n oVnn onVVA VVVA( (A AV V 为系统电压增益）为系统电压增益）其中其中Z Zi i为系统输入阻抗，一般和是相关的。为系统输入阻抗，一般和是相关的。2nV2
9、nI（）求等效输入噪声电流源。（）求等效输入噪声电流源。输入端开路输入端开路，则，则2nI22,2222,22n oVnin oniVVAIZVIAZ此方法适用于低噪声电路设计，用来具体分析电路中每个此方法适用于低噪声电路设计，用来具体分析电路中每个元件的噪声对电路整体产生的影响。元件的噪声对电路整体产生的影响。2,DnI例例2.2.12.2.1：如图所示，场效应管放大器的场效应管输出如图所示，场效应管放大器的场效应管输出 噪声电流为噪声电流为LR2,RLnV负载电阻负载电阻 的热噪声的热噪声 解：解：（1 1）首先求放大器的增益首先求放大器的增益放大器交流等效电路图放大器交流等效电路图2nI
10、2nV求：求：该放大器对应的等效输入噪声源该放大器对应的等效输入噪声源 和和 电压增益电压增益LmiLimiVRgVRVgVVA0（2）求放大器总输出噪声求放大器总输出噪声2222,n on RLn DLVVIR放大器（3 3）求等效输入噪声求等效输入噪声电压源电压源2nV输入端短路输入端短路此时输出噪声均由此时输出噪声均由 产生，则：产生，则：2nV222222,222222()n on RLn DLn RLn DnVmLmLmVVIRVIVAg Rg Rg22,2mDnngIV不考虑负载噪声不考虑负载噪声（4）求等效输入噪声求等效输入噪声电流源电流源2nI输入端开路：输入端开路：此时输出端
11、的噪声均由此时输出端的噪声均由 产生：产生：2nI2222222,()()()niVnimLn oIZAIZg RV则则2222,2,2)(iLmLDnRLnnZRgRIVI不考虑负载噪声不考虑负载噪声222,2imDnnZgII2nV2nI和和 是是相关相关的的 2.3 2.3 噪声系数噪声系数2.3.1 2.3.1 噪声系数定义噪声系数定义ooiioiNPNPSNRSNRF/ 有噪有噪 网络网络()iSNR()oSNRFdBNFlog10)(2.3.2 .3.2 噪声系数与等效输入噪声源的关系噪声系数与等效输入噪声源的关系 12.3.2 .3.2 噪声系数与等效输入噪声源的关系噪声系数与等
12、效输入噪声源的关系信号源信号源SV外输入噪声源外输入噪声源2SRV输入信噪比输入信噪比()iSRN内部噪声源内部噪声源 和和2nV2nI输出输出噪声功率噪声功率输出输出信号功率信号功率信号源信号源SV输出信噪比输出信噪比()oSRNBkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222对噪声系数的理解对噪声系数的理解有噪网络的噪声系数一定大于有噪网络的噪声系数一定大于1噪声系数与网络内部噪声大小有关噪声系数与网络内部噪声大小有关网络的噪声系数与外部源噪声有关网络的噪声系数与外部源噪声有关与源噪声温度与源噪声温度 T 有关有关测量噪声系数时，规定标准噪声温度
13、测量噪声系数时，规定标准噪声温度 T0=290k 噪声匹配噪声匹配噪声系数最小噪声系数最小最佳源内阻最佳源内阻与源内阻与源内阻RS 有关有关BkTRRIVSNRSNRFSSnnoi4)(1)()(2SR其中其中 2,outnV网络总输出噪声电压均方值网络总输出噪声电压均方值VA该网络的该网络的电压增益电压增益例例2.3.12.3.1：图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。 VO解解: 根据公式根据公式BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222一个网络一个网络 的噪声系数又可以表示为的
14、噪声系数又可以表示为222,22222222)()(SSSSSRVoutnVVRSnnRRSnnRVAVAAVRIVVVRIVVF该网络的该网络的电压增益电压增益为为:VOSVRRRA00求网络总输出噪声电压均方值求网络总输出噪声电压均方值等效噪声电路如图等效噪声电路如图 根据根据噪声系数定义噪声系数定义有有:02000222,1)(4)/(4RRRRRBkTRBRRkTVAVFSSSSRVoutnS结论结论：0R大，噪声系数小，大，噪声系数小， 与与功率最大传输功率最大传输共轭匹配共轭匹配不同不同在带宽在带宽B 内输出内输出噪声电压均方值噪声电压均方值为为:BRRkTRRIIVSSRnRno
15、utnS)/(4)/)(0202,2,2,02.3.3.3 无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数分析条件分析条件:输入、输出端均匹配输入、输出端均匹配已知：已知：无源有耗网络的损耗为无源有耗网络的损耗为 L带宽为带宽为B根据根据噪声系数的定义噪声系数的定义/1/iiAoAooAPiAPP NNNFLPNGNG结论：结论：无源有耗网络的无源有耗网络的噪声系数噪声系数在数值上等于在数值上等于它的损耗它的损耗 SR信号源内阻信号源内阻 产生的额定噪声功率为产生的额定噪声功率为 kTBNiA0R输出电阻输出电阻 产生的额定噪声功率为产生的额定噪声功率为 kTBNoA2.4 2.4 等效噪声温度
16、等效噪声温度 条件：条件：有有噪线性网络噪线性网络、 产生产生白噪声白噪声、匹配、匹配2.4.1.4.1等效噪声温度定义等效噪声温度定义定义：定义：将网络内部的噪声折合到输入源端，将网络内部的噪声折合到输入源端， 等效为由某电等效为由某电 阻在温度阻在温度 时产生的电阻热噪声，将网络视为无噪的。时产生的电阻热噪声，将网络视为无噪的。eTPGBePNkT BG内有噪网络输出噪声，和有噪网络输出噪声，和等效噪声温度的关系：等效噪声温度的关系：2.4.2 2.4.2 等效噪声温度与噪声系数的关系等效噪声温度与噪声系数的关系已知条件已知条件:iP0T源端匹配源端匹配 、信号源输入噪声信号源输入噪声为：
17、为：0iNkT BB网络带宽网络带宽 、PG功率增益功率增益 、eT等效噪声温度等效噪声温度总输入噪声总输入噪声为为0()eiNk TT B总0()oPeNG k TT B由噪声系数定义由噪声系数定义000/1/()iiieooPiPeP NP kT BTFPNG P G k TT BT 或或0) 1(TFTe因网络视为无噪，所以因网络视为无噪，所以总输出噪声总输出噪声为为2.5 2.5 多级线性网络级联的噪声系数多级线性网络级联的噪声系数已知：已知：各级间均匹配，带宽均为各级间均匹配，带宽均为B额定功率增益、噪声系数、等效噪声温度额定功率增益、噪声系数、等效噪声温度BkTNi0第一级输入第一
18、级输入噪声功率噪声功率 11011PAPAeNGkT BGkT B第一级的输出第一级的输出噪声功率是噪声功率是求：总噪声系数求：总噪声系数 、等效噪声温度、等效噪声温度eTF2212212011()eoPAPAePAPAePATNGNGkT BGGkB TTG第二级输出第二级输出噪声功率是：噪声功率是：两级总的输出两级总的输出噪声功率又可表示为噪声功率又可表示为 120()oPAPAeNGGkB TT所以所以211eeePATTTG2111PAFFFG相等相等231112eeeePPPTTTTGG G32111211PPPFFFFGG G多级线性网络级联总噪声系数多级线性网络级联总噪声系数2. 2. 增大第一级的增益增大第一级的增益可以减少后级对系统噪声系数的影响可以减少后级对系统噪声系数的影响1. 1. 系统前级、特别是第一级的噪声系数系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大对系统影响最大结论：结论：
